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作者: Sree Harsha Angara 數(shù)字聲音合成技術(shù)總讓我這個(gè)業(yè)余愛好者感到著迷。一個(gè)有關(guān)Karplus-Strong吉他合成技術(shù)的維基網(wǎng)頁更加激發(fā)了我的興趣。它吸引我的地方是這種合成器設(shè)計(jì)非常簡單。下面是來自維基網(wǎng)頁的圖形（圖1）： 
圖1：來自維基的K-S方框圖 網(wǎng)頁另外指出延遲L可按以下簡單公式?jīng)Q定音調(diào)音質(zhì)，
式中的濾波器系數(shù)決定音調(diào)的‘粘性’。 突發(fā)噪聲？就是這樣嗎？肯定不對(duì)！不可能就這么簡單！與所有業(yè)余愛好者一樣，我立馬開始著手實(shí)施。寫代碼只用了幾個(gè)小時(shí)，然后我把DAC輸出連接到示波器。可以看出與諧波疊加后大致呈正弦曲線，但是無法確定聽起來會(huì)是什么樣。 在一陣翻箱倒柜之后，我連接了一對(duì)舊耳機(jī)。我沒太高期望，大家都知道：對(duì)于初次嘗試的項(xiàng)目來說，要么是一無所獲，要么是背運(yùn)情況下會(huì)看到它冒出一縷白煙（我寧愿把這看成是芯片的靈魂升入虛空）。在確實(shí)聽到像撥弄吉他發(fā)出的聲音之時(shí)著實(shí)讓我吃了一驚。 似乎有點(diǎn)對(duì)路了。先提醒一下，下面要講到數(shù)學(xué)了。 分析： 讓我們更深入地看看下圖2：
圖2: K-S方框圖–注釋 合成器的輸出是低通濾波器輸出與突發(fā)噪聲的簡單求和。在下面所有公式中，下標(biāo)‘n’均為當(dāng)前取樣。
經(jīng)過一番處理之后我們可以得到一個(gè)龐大的表達(dá)式：
好在通過利用Excel掃描頻率ω很容易就能求出幅值響應(yīng)。 取樣速率設(shè)為44.1ksps（這是可掃描整個(gè)聽覺范圍的最小值）。 如果從式1生成200Hz音調(diào)，延遲‘L’則為44100/200 = 220.5。 由于我們的延遲為數(shù)字式，因此選擇220這個(gè)接近值。我隨意選擇10KHz的低通濾波器極點(diǎn)值入手。此極點(diǎn)頻率可確定上述‘a(chǎn)’與‘b’的值。
圖3：頻率響應(yīng) 我們可以根據(jù)此響應(yīng)明確看出我們是否傳輸寬帶噪聲信號(hào)（而我寧愿將其視為能量散布全部頻率的信號(hào)），而您看到的輸出是200Hz基頻，隨后是2x、3x、4x…諧波。這基本上就是實(shí)際吉他彈奏時(shí)的表現(xiàn)：基頻隨后是伴生泛音。
圖4：吉他泛音 另一個(gè)值得注意的有趣現(xiàn)象是：當(dāng)把濾波器極推向更低頻率時(shí)會(huì)抑制更高階諧波，同時(shí)音調(diào)也變得更‘純凈’。但是，聲音聽起來不太像吉他，而是很像音調(diào)很快消失的鼓聲。
圖5：不同截止頻率的頻率響應(yīng) 另外有趣的是改變?yōu)V波器截止頻率時(shí)音調(diào)頻率會(huì)發(fā)生輕微偏移。基頻附近的偏移不太明顯，但是更高階諧波由于與低通濾波器相關(guān)的相位損失而開始更顯著地偏移。 以下是在156Hz附近彈奏E調(diào)時(shí)獲得的實(shí)際DSO波形的快速截屏。
圖6：E調(diào)波形采集——156Hz的基頻
圖7：E調(diào)FFT——156Hz的基頻 頻率峰值的分布符合預(yù)期；盡管幅度跌落與理論計(jì)算不一致，但是整體圖像十分匹配。 實(shí)現(xiàn)： 實(shí)現(xiàn)方案完全在賽普拉斯半導(dǎo)體公司的PSoC5LP混合信號(hào)SoC內(nèi)部完成。為了更加有趣，通過采用幾個(gè)能夠在觸摸時(shí)彈奏不同音調(diào)的觸摸按鈕，我在系統(tǒng)中增加了一個(gè)用戶界面。
圖8：系統(tǒng)級(jí)方框圖 采用CY8CKIT-050開發(fā)套件、用于觸摸按鈕的擴(kuò)充板和我從臥室‘暫借’的幾個(gè)精致的揚(yáng)聲器，整個(gè)系統(tǒng)配置大致如下：
圖9：吉他合成器配置 Speaker output：揚(yáng)聲器輸出；developer kit + expansion board：開發(fā)套件 + 擴(kuò)充板
圖10：細(xì)節(jié)展示 5 strings of a guitar：吉他的5跟弦；analog output to speaker：到揚(yáng)聲器的模擬輸出；slider changes chords of guitar：滑片可改變吉他的和弦。 總結(jié)： Karplus-Strong合成器可能是最簡單的合成器編碼算法，但是其輸出音質(zhì)出人意料地不錯(cuò)，即使是僅采用8位DAC（其嚴(yán)格來說對(duì)于音頻再現(xiàn)而言有點(diǎn)功率不足）。唯一的缺陷是演奏低頻音調(diào)時(shí)我們需要數(shù)值非常大的緩沖器。例如，演奏100Hz信號(hào)需要441緩沖器，取樣速率為44.1Ksps。如果我們希望添加多個(gè)同時(shí)弦時(shí)就會(huì)帶來問題，而且代碼大小也成問題。 此外，加入PSoC的靈活性也會(huì)帶來眾多新的選擇，如：采用I2S接口把信號(hào)輸出到標(biāo)準(zhǔn)音頻DAC。將合成代碼轉(zhuǎn)移到數(shù)字濾波模塊（DFB）可以釋放主核，從而可以添加任何其它計(jì)算密集型進(jìn)程。 |
